穿甲弹用钨合金的冲击实验与纳观力学机理模拟研究

发布时间：2016-12-23 06:04

  本文关键词：穿甲弹用钨合金的冲击实验与纳观力学机理模拟研究，由笔耕文化传播整理发布。

《北京理工大学》 2015年

穿甲弹用钨合金的冲击实验与纳观力学机理模拟研究

于超  

【摘要】：钨合金材料以优良物理、力学性能，在国防军工应用材料中占有不可替代的地位，但在使用过程面临高温高压等极端条件，其微观结构会发生明显变化，使得材料的性质与常温常压下不同，且极端条件下钨合金材料的相变、微观效应、尺寸效应等性质很难通过实验获得。为了从原子水平深入认识钨合金材料在极端条件下的性质，探索微观结构与宏观之间的联系，本文回顾了前人对钨合金材料宏观的动态力学特性和细观损伤理论的研究，采用实验与分子动力学方法对钨合金材料在典型极端条件下的一些重要问题进行了有益的探索和研究，具体工作如下： (1)基于伺服式疲劳试验机MTS810和旋转盘式杆-杆型冲击拉伸实验装置对钨合金材料分别进行了室温下准静态和动态对比拉伸实验，并分析了试件断口形貌。研究表明：室温准静态加载下，钨合金材料没有塑性变形，是典型的脆性断裂，且随着应变率的增加，材料的强度有所升高；室温动态加载下，钨合金材料表现出了一定的塑性特性，出现了颈缩现象，并且随着应变率的增加，材料的强度与刚度逐渐升高，而且动态加载比静态加载的钨合金屈服强度明显升高，且钨合金表现出明显的应变率效应；在实验研究的基础上，结合EAM势和分子动力学方法，编写了钨合金材料的拉伸程序，研究了钨合金材料的不同晶体结构在拉伸和温度作用下的晶体结构、相变及屈服强度。由EAM势预测的晶体结构、延展性和颈缩行为与实验结果基本一致，说明该势函数适用于钨合金晶体，具有良好的拓展性。钨合金晶体在低应变率与高应变率下延展性具有不同特性，且在高应变率下应力-应变曲线出现特有的双峰现象。研究了钨合金晶体屈服强度在加载速率、温度、尺度和晶向效应变化下的响应，与实验结果进行对比，并将分子动力学模拟钨合金晶体拉伸高应变问题进行了拓展，获得高应变率下的响应公式。 (2)利用三点弯实验机与S-570扫描电镜试验系统对钨合金材料裂纹扩展及其断裂行为展开了研究，观测到不同细化颗粒钨合金裂纹试件在拉伸加载过程中，钨合金首先发生塑性变形，钨颗粒附近的黏结相承受大部分的载荷，而钨颗粒周围产生较大的应力集中，预制裂纹附近的缺陷首先发展成为裂纹源，随后微裂纹在黏结相中发生扩展演化，总结了钨合金裂纹扩展规律；并采用编写的分子动力学程序对钨合金I型裂纹扩展模型进行了研究，分析了钨合金晶体在拉伸作用下的裂纹扩展机理。结果表明钨合金晶体裂纹扩展尺寸与裂纹扩展临界应力均为各向异性：沿着[123]晶向的裂纹扩展，其临界应力最大，沿着[112]晶向次之，，而对于[110]晶向裂纹扩展临界应力最小；裂纹扩展长度沿着[100]晶向最大，[123]、[112]与[110]晶向的裂纹扩展尺度相对较小，可近似为[100]晶向的三分之二。裂纹扩展临界应力与裂纹扩展尺寸的各向异性是由不同晶向间原子排列结构以及滑移阻碍方式造成。 (3)采用自行编写的分子动力学程序对钨合金的冲击熔化行为进行了数值模拟研究，将多尺度模型置于分子动力学程序中求解，实现了在动高压条件下对钨合金的冲击动力学行为问题的研究。通过模拟获得了冲击钨合金熔化的临界冲击加载速度，压强、温度、体积的时程曲线，钨合金热力学参数的Hugoniot曲线，并经过拟合获得了冲击波速度与粒子速度的关系式；利用分子动力学模拟得到参数与推导的公式结合获得了冷能曲线的相应参数，其与文献理论计算结果的对比比较接近，而分子动力学模拟钨合金冲击与冲击压缩实验及相关理论计算结果符合较为一致表明MSST理论模型与分子动力学相结合的方法在描述冲击钨合金熔化问题上具有一定的可靠性；同时计算了冲击速度与冲击晶向变化对冲击熔化的影响，发现钨合金随着冲击速度与冲击晶向的不同，钨合金熔化过程具有一定的差别。 (4)在上述钨合金实验与数值模拟研究基础上，编写了钨合金弹丸超高速撞击靶板的分子动力学程序。首先建立超高速弹丸撞击靶板系统的三维模型，并计算和分析钨合金弹丸在撞击靶板过程的微观演化和结构破坏方式；其次研究了弹丸半径、弹丸初始速度、靶板厚度、材料变化对碰撞后产生碎片云的影响；最后，将分子动力学模拟结果同高质量实验研究的结果进行了比较，模拟的碎片云形状和碎片云特征点的速度与实验相吻合，证实了改进的EAM势对于超高速撞击模拟问题是可行的，进一步验证了分子动力学方法的有效性。

【关键词】：
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O341
【目录】：

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